عنوان : تغییرات خط ساحل دریای خزر با بهره گیری از مدل ریاضی

دانشگاه سمنان

دانشکده مهندسی عمران

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی عمران گرایش سازه­های هیدرولیکی

عنوان:

تغییرات خط ساحل دریای خزر با بهره گیری از مدل ریاضی (مطالعه موردی بندر امیرآباد)

استاد راهنما:

دکتر خسرو حسینی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه………………………………………………………7
1-1- مقدمه………………………………………………………….. 8
1-2- اظهار مسئله پژوهش………………………………………….. 9
1-3- اهمیت و ضرورت انجام پژوهش…………………………….. 10
1-4- نوآوری پژوهش……………………………………………….. 12
1-5- اهداف پژوهش……………………………………………….. 12
1-6- فرضیات پژوهش و محدودیت­ها …………………………………13
1-7- روش­شناسی پژوهش……………………………………….. 14
1-8- ساختار فصول پایان­نامه……………………………………… 15
فصل دوم : تعاریف و مروری بر منابع …………………………….. 17
2-1- مقدمه………………………………………………………….. 18
2-2- تعاریف…………………………………………………………. 18
2-2-1- محیط ساحلی…………………………………………….. 18
2-2-2- امواج ثقلی سطح…………………………………………. 18
2-2-3- انرژی موج…………………………………………………… 18
2-2-4- توان موج……………………………………………………. 19
2-2-5- انعکاس موج………………………………………………. 19
2-2-6- اثرات باد……………………………………………………. 19
2-2-7- تنش تشعشعی………………………………………….. 20
2-2-8- امواج ایستا…………………………………………………. 20
2-2-9- شکست موج………………………………………………. 20
2-2-10- انکسار موج……………………………………………….. 22
2-2-11- تفرق موج………………………………………………….. 22
2-2-12- سرعت گروه موج…………………………………………. 22
2-2-13- تسونامی………………………………………………….. 23
2-2-14- جریان‌های ساحلی………………………………………… 23
2-2-15- فرآیندهای ناحیه ساحلی…………………………………. 23
2-2-16- نیمر‌خ ساحلی و تغییرات آن………………………………. 24
2-2-17- نیمرخ تابستانی ونیمرخ زمستانی………………………. 24
2-2-18- سازه‌های عمود بر ساحل……………………………….. 24
2-2-19- سازه­های موازی ساحل…………………………………. 26
2-2-20- احیاء ساحل و تخلیه رسوب……………………………… 26
2-2-21- مبانی نظری……………………………………………….. 27
2-3- مروری بر ادبیات موضوع……………………………………….. 27
فصل سوم: روش پژوهش…………………………………………….. 34
3-1- مقدمه…………………………………………………………… 35
3-2- معرفی نرم­افزار………………………………………………….. 35
3-2-1- مدول­های نرم­افزار مایک 21………………………………….. 36
-2-2-3 قابلیت­های نرم­افزار مایک 21…………………………………. 37
3-3- مراحل اجرای مدل و معادلات بکار رفته در مدول­ها ……………39
1-3-3- مدل­سازی انتشار امواج- مدول SW……………………….
3-3-1-1- معادلات پایه در مدل sw………………………………
3-3-1-2- معادلات پایستگی کنش موج……………………………43
3-3-1-3- توابع مربوطه به چشمه……………………………………….44
3-3-1-4- ورودی باد………………………………………………………44
3-3-1-5- تشکیل سپیدک رأس موج…………………………………….45
3-3-1-6- اصطکاک بستر………………………………………………….46
3-3-1-7- شکست موج…………………………………………………….49
3-3-1-8- شرایط مرزی…………………………………………………50
3-3-2- مدول هیدرودینامیک (HD  )………………………………….. 50
3-3-3- مدول انتقال رسوب ( ST )……………………………………… 53
3-4- منطقه مورد پژوهش………………………………………………. 58
1-4-3- جغرافیای خزر…………………………………………………… 58
3-4-2- موقعیت بندر امیرآباد…………………………………………… 59
3-5- مشخصات باد و موج منطقه…………………………………….. 63
3-6- مشخصات توپوگرافی و عمق­نگاری منطقه………………………. 66
فصل چهارم: چگونگی برپایی و اجرای مدل­ها………………………………… 71
4-1- مدل­سازی انتقال موج از آب عمیق تا  محدوده­ی مطالعاتی بندر….72
4-2- تعیین گام زمانی حل معادلات…………………………………….. 75
-3-4 ضرایب ثابت مدل­سازی………………………………………………. 75
4-4- اجرای مدل و خروجی­های نرم­افزار…………………………………… 76
4-5-  بحث ونتیجه ­گیری ازخروجی مدل­ها………………………………. 77
4-5-1- خروجی مدل موج و جریان……………………………………….. 77
2-5-4- نتایج خروجی مدل رسوب……………………………………….. 88
4-5-2-1- پتانسیل انتقال رسوب از غرب به شرق……………………..88
4-5-2-2- پتانسیل انتقال رسوب از شرق به غرب……………………….90
4-5-2-3- پتانسیل انتقال رسوب در دهانه بندر…………………………..92
4-6- مطالعه شواهد میدانی و تحقیقات گذشته……………………… 94
-1-6-4 ارزیابی چگونگی جابجایی خطوط ساحلی از سال 1345 تا سال 1383…..94
4-6-2- ارزیابی چگونگی جابجایی خطوط ساحلی از سال 1383  تا سال 1391…..98
فصل پنجم: نتیجه گیری وپیشنهادها ………………………………….. 101
5-1- بحث و نتیجه­گیری………………………………………………….. 102
5-2- پیشنهادات و راهکارها…………………………………………….. 104
5-2-1- پیشنهادات………………………………………………………. 104
2-2-5- راهکارها …………………………………………………………..105
منابع …………………………………………………………………….. 107
چکیده:
سواحل دریاها بدون دخالت­های انسانی، پایداری طبیعی خود را حفظ نموده و علیرغم تغییرات کوتاه مدت، نهایتاً با یک محیط زیست سالم ساحلی مواجه هستیم. منطقه امیرآباد مازندران طی سال­های اخیر با تحولات توسعه­ای مانند احداث بندر امیرآباد همراه بوده و پس تغییرات خط ساحل این منطقه در سال­های اخیر، هم ناشی از نوسانات دریا و هم حاصل احداث سازه در منطقه می­باشد. سواحل منطقه امیرآباد به دلیل احداث تأسیسات بندری از وضعیت تعادل و پایداری خارج شده و در سواحل بالادست­(ضلع غربی)و پایین­دست­(ضلع شرقی) به ترتیب رسوبگذاری و فرسایش دیده می­گردد. منطقه ویژه اقتصادی امیرآباد در سه فاز طراحی شده، که در مجموع با داشتن 34 پست اسکله در آینده نزدیک به بزرگترین و مهمترین بندر حاشیه دریای مازندران تبدیل می­گردد. با در نظر داشتن اینکه بندر امیرآباد در حال توسعه بوده، شناختی کاربردی و مناسب از مشخصات این منطقه امری ضروری می باشد. به دلیل هزینه بالای برداشت­های دریایی به صورت گسترده، امروزه با بالارفتن سرعت پردازش رایانه­ها و نیز رشد روش­های عددی برای حل معادلات حاکم بر فیزیک مسأله، معمولاً جهت پیش­بینی خصوصیات پدیده­های هیدرودینامیکی از شبیه­سازی عددی بهره گیری می­گردد. در این پژوهش، با در نظر داشتن اطلاعات باد و موج دوره زمانی 11 ساله مربوط به سال­های 1992 تا 2003، به مطالعه امواج و جریان­های ناشی از آنها در محدوده بندر امیرآباد با بهره گیری از مدول­های SW  و  HD  نرم­افزار MIKE 21  پرداخته شده و بر اساس جریان­های کرانه­ای، نرخ انتقال رسوب کرانه ناشی از موج در این منطقه تعیین گردیده می باشد. بر اساس نتایج مدل جریان، الگوی غالب جریان از سمت غرب به شرق و بر عکس می­باشد. به تبعیت الگوی جریان، انتقال رسوب در منطقه نیز از سمت غرب به شرق و بر عکس می­باشد. نرخ انتقال رسوب در مدل دو بعدی حدود 1000 متر­مکعب از سمت غرب به شرق و حدود 500 مترمکعب از سمت شرق به غرب در یک سال می­باشد. بر اساس شواهد تصاویر  ماهواره­ای و مطالعه تحقیقات گذشته، پتانسیل نرخ انتقال در سمت غرب تأمین می­گردد و پس پتانسیل سمت شرق برآورد نمی­گردد.
با در نظر داشتن اندازه نشست رسوب، توقع می‏رود تا ده سال آینده ظرفیت حجم رسوب در پشت بازوی غربی پر نگردد و از این حیث نگرانی کوتاه­مدت وجود ندارد. جهت مرتفع کردن این مشکل در بلند مدت می­توان از لایروبی و یا ساخت رانه رسوب­گیر بهره گیری نمود. در این پروژه، با احداث یک رانه رسوب­گیر در امتداد بازوی غربی، به رفع مشکل پرداخته شده، که با در نظر داشتن نرخ نشست سالیانه حدود 1500 متر­مکعب در سال حدود 200 سال مشکل انتقال در سمت غرب بندر امیرآباد مرتفع  می­گردد.
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه
سواحل تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند موج، جریان و باد قرار دارند. این عوامل موجب فرسایش و رسوبگذاری در سواحل می­شوند. یکی از مهم‌ترین و مؤثرترین فرآیندهای انتقال رسوب در مناطق ساحلی، انتقال رسوب کرانه‌ای[1] می‌باشد و مطالعه کیفی و کمی این پدیده سبب درک بهتری از رژیم فرسایش و رسوبگذاری در اطراف بندر و سازه‌های ساحلی می­گردد. سرعت و جهت جریان‌های دریایی یکی از اصلی‌ترین پارامترهای هیدرودینامیکی موثر در انتقال رسوب می‌باشند. جریان‌های کرانه‌ای به سبب تأثیرات متقابل موج و بستر دریا، در ناحیه شکست امواج[2] ایجاد می­گردند. در این ناحیه گرادیان ایجاد­­ شده در تنش‌های برشی سبب تشکیل جریان‌های کرانه‌ای می­گردد، که این جریان‌ها در انتقال بار رسوبی محدوده­ی ساحلی تأثیر عمده‌ای به عهده دارند. منطقه شکست از لحاظ پدیده­های هیدرودینامیکی، فعالترین ناحیه ساحلی می باشد که در آن انتقال رسوب و تغییرات بستر دریا در اثر امواج شکنا و جریان­های نزدیک ساحل به وقوع می­پیوندد. در نزدیکی ساحل، عمق متغیر آب می­تواند تغییرات عمده­ای در شرایط موج در فاصله کم ایجاد کند. در واقع پارامتر مهم فیزیکی، عمق آبی می باشد که امواج سطحی روی آن حرکت می­کنند. در طبیعت، عمق آب ثابت نیست و در اثر گردباد، خیزش طوفان یا دیگر علت های، تغییر می­کند. این تغییرات سطح آب، بر الگوی شکست موج تأثیر می­گذارد. در ناحیه شکست می­بایست تغییرات موج، تراز سطح آب و مشخصات جریان­های ساحلی محاسبه گردد تا بر اساس آنها امکان برآورد تخریب ناشی از طوفان( ناشی از سیلاب یا امواج )، محاسبه تغییرشکل تدریجی خط ساحلی و تغییر شکل پروفیل عمود بر ساحل و طراحی ایمن سازه­های­ ساحلی ( همچون آبشکن­ها و دیواره­های حفاظت ساحلی) فراهم گردد[1]­.
امواج که به ساحل نزدیک می­شوند تحت تأثیر پدیده­هایی نظیر تفرق و شکست، انرژی آنها افزایش یافته و می­توانند پدیده­های فرسایش را تسریع بخشند. از عوامل مؤثر بر فرسایش سواحل، دخالت­های انسانی و ساخت سازه­های ساحلی می باشد، چنانچه این سازه­ها به درستی جانمایی نگردند، می­توانند اثرات تخریبی قابل توجهی به ساحل و فرسایش آن داشته باشند.
امروزه به­هم­خوردگی شرایط طبیعی سواحل و فرایندهای ساحلی، تحت تاثیر ساخت و سازهای بندری و نیروگاه­های مولد انرژی بطور فزاینده درناحیه ساحلی دریاها و اقیانوس­ها جریان دارد. به­ویژه در سواحل جنوبی دریای خزر در طی 30 سال اخیر، توأم با پیشروی آب دریا، ساخت­و­ساز و دخل­و­ تصرف در این عرصه طبیعی به شدت صورت گرفته می باشد .ضرورت مطالعه این تغییرات که ناشی از عوامل طبیعی و انسانی و تأثیر متقابل آنها می­باشد، در زمینه مدیریت نواحی ساحلی بسیار مهم می باشد.
یکی از نرم­افزارهای موجود برای تحلیل جریان و پتانسیل نرخ انتقال رسوب، نرم­افزار Mike 21 می‏باشد. این نرم­افزار توسط موسسه تحقیقات دلفت دانمارک تهیه و گسترش یافته­می باشد که می­تواند الگوی جریان در بخش­های مختلف ناشی از تغییر عمق جریان در ناحیه ساحلی و همچنین پدیده حمل رسوب را به خوبی مدل نماید. با بهره گیری از این نرم­افزار می­توان تغییراتی که در خط ساحل در اثر احداث سازه­ها و هرگونه دخل و تصرف انسانی تعیین نمود.
2-1- اظهار مسأله پژوهش
منطقه ساحلی جاییست که موج، ­­ بستر را حس می­کند و انتهای این ناحیه ساحلی بالاروی موج روی ساحل می باشد. موج در بیرون از ناحیه ساحلی به دلیل عدم تماس با بستر متقارن می باشد و با ورود به ناحیه ساحلی دچار آشفتگی شده و بعد از شکست، آشفتگی موج زیاد می­گردد و بسته به ارتفاع موج، دوره­تناوب موج و نوع ساحل به شکل­های مختلف می‏شکنند. بطورکلی چهار نوع اصلی برای شکست امواج در نظر گرفته می­گردد که عبارتند از آشفته، چرخان، ریزشی و لغزان. در اثر شکست امواج در ناحیه کم عمق ساحلی، جریان کرانه­ای ایجاد می­گردد که علت اصلی جابجایی­ها و نقل و انتقال رسوب در سواحل می­باشد. مطالعه هیدرودینامیکی مناطق ساحلی اولین قدم در طراحی سازه­های ساحلی می باشد و ریخت شناسی سواحل، انتقال رسوب، فرسایش، انتشار و پخش آلودگی، از دیگر پدیده­های مرتبط با ساحل می­باشد. بخش مهمی از مطالعه هیدرودینامیک معطوف به مطالعه جریان­های ساحلی و مطالعه علل ایجاد و الگوی آنها می­گردد. جریان‌های موازی با ساحل مسئول انتقال رسوب و آلاینده‌ها به موازات ساحل هستند و زمانی که انرژی خود را از دست بدهند یا به مانعی همچون موج‌شکن بندرها برخوردکنند، رسوب را برجای می­گذارند و معضلات جدی برای سازه‌های ساحلی ایجاد می‌کنند[2و3].
در این پژوهش با بهره گیری از نرم­افزار MIKE 21 ، الگوی انتشار موج، جریان­های موازی ساحل ناشی از موج و نرخ انتقال رسوب کرانه­ای مدل­سازی شده و در نهایت بر اساس برآورد نرخ انتقال رسوب  کرانه­ای، تغییرات ایجاد شده در خط ساحل دریای خزر در محدوده بندر امیرآباد مورد مطالعه قرار می­گیرد.
3-1- اهمیت و ضرورت انجام پژوهش
با در نظر داشتن اینکه مناطق ساحلی به ‌گونه مستمر در تعامل با محیط آبی دریا و اقیانوس پیرامون قرار دارند، پس شناخت رفتار محیط آبی دریا و اقیانوس پیرامون در شناخت رفتار سواحل ضروری می باشد. سواحل هر کشور از نظر سیاسی، نظامی، اجتماعی و اقتصادی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد.
 مناطق ساحلی علاوه­ بر ­اینکه دارای توان اقتصادی هستند، به عنوان پلی برای بهره­برداری از منابع عظیم موجود در دریاها و اقیانوس­ها اقدام می­کنند. از این رو حفاظت و عمران مناطق ساحلی دارای اهمیت زیادی می باشد. متأسفانه در کشور ما با وجود داشتن سواحل بسیار طولانی به عمران و حفاظت آنها اهمیت زیادی داده نشده­ می باشد و از این نعمت خدادادی بهره­برداری بهینه صورت نمی­گیرد.  سواحل طبیعی دریاها اگرچه ممکن می باشد در فرآیندهای طوفانی زمستانه دچار فرسایش شوند اما با فرآوری­های مناسب رسوبی تابستانه شکل هندسی اولیه خود را باز می­یابند، این­گونه سواحل اصطلاحاً سواحل پایدار نامیده می­شوند و سواحلی که به علت های مختلف و مانند مهمترین آنها دخالت­های انسانی، مقاطع عرضی وخطوط ساحلی آنها دچار دگرگونی و تغییرات غیر قابل بازگشت می­گردد، را سواحل غیر­پایدار می­نامند. در این بین دریای خزر به دلیل ماهیت نوسانات تراز آب در مقیاس­های فصلی، سالانه و بلندمدت، دارای ویژگی­های خاصی در تعادل سواحل می باشد که در واقع ارضاء پارامترهای مرتبط با ایجاد سواحل پایدار را در طرح­های توسعه­ای با چالش­های بیشتری در مقایسه با دریاهای آزاد مواجه می­نماید. پس شناسایی وضعیت سواحل جنوبی دریای خزر از لحاظ ویژگی­­های فرسایش­پذیری و رسوبگذاری برای تعیین مناطق حساس و ناپایدار پیش روی نواحی رسوبی فعال و پایدار به منزله مسئله اصلی می باشد.
افزایش سطح تراز آب دریای خزر طی 30 سال اخیر به اندازه  1.5  متر (طی سال 1357 تا 1387)
 معضلات بسیار عمده­ای را برای کاربری­ها و جوامع انسانی حاشیه دریای خزر به وجود آورد[2]. درحقیقت توسعه نیروهای هیدرودینامیکی دریا به صورت امواج فرساینده و جریان­های ساحلی ناشی از آن با پیشروی آب دریا در محدوده اراضی خشک ساحلی، شرایط شدت آسیب­پذیری فرسایشی مناطق ساحلی را افزایش داد. پس نوسان­های سطح تراز آب، امواج و جریان­های ساحلی به منزله عوامل موثر بر فرسایش­پذیری مناطق ساحلی دریای خزر محسوب می­شوند و عکس­العمل ساختاری سواحل با در نظر داشتن ماهیت رسوب­شناختی و ساختار فیزیکی متفاوت، عامل بسیار مهمی در اندازه شدت ناپایداری می باشد.
با انجام این تحقیقات، شناخت بیشتری از جریان­های نزدیک ساحل ناشی از شکست موج حاصل شده و با در نظر داشتن تأثیر مستقیم و غیر­مستقیم این جریان­ها در سازه­های دریایی، فرسایش ساحل و انتقال رسوب، مسائل زیست­محیطی و مطالعه صید و شیلات و مانند تأثیر مهم آن در تأثیر این جریان­ها بر فعالیت­های نفتی وگازی در منطقه مورد مطالعه، ضرورت انجام این پژوهش کاملأ محسوس به نظر می­رسد.
4-1- نوآوری پژوهش
در سال­های اخیر در بنادری مانند بندرانزلی، بندرنوشهر و بندرکیاشهر در دریای خزر مطالعاتی در زمینه جریان­های ناشی از موج انجام گرفته می باشد. براساس این پژوهش می‌توان اندازه نشست رسوب در طرفین موج‌شکن‌های بندر را ارزیابی نمود و عمر مفید بندر را تقریب زد. در صورت وجود شرایط بحرانی که در انتهای مدل­سازی‌ها منتج می­گردد، دستک رسوب‌گیر برای تثبیت شرایط ساحلی و سایر موضوعات کنترل رسوب پیشنهاد می­گردد. همچنین بر اساس اندازه نشست رسوب در دوره‌های مختلف سالیانه و چندساله که از نتایج مدل­سازی استخراج می­گردد، می‌توان دوره‌های لایروبی و احجام لایروبی را برآورد نمود.
مطالعه الگوی رسوب به صورت گرافیکی و نمایش دوبعدی جهت تجسم کردن الگوی واقعیت فرسایش و نشست رسوب در محدوده بندر از نوآوری‌های این پژوهش می‌باشد.
5-1- اهداف پژوهش
اهداف مورد نظر در این پژوهش شامل تعیین وضعیت خط ساحل در منطقه بندری امیرآباد شرایط کنونی و گذشته و ارزیابی اندازه و طریقه تأثیر سازه­های بندری و نوسانات دریای خزر در بازه زمانی مورد مطالعه می­باشد. هدف اصلی این پروژه ارائه یک مدل جهت مطالعه الگوی موج، جریان ناشی از موج و مطالعه پتانسیل نرخ انتقال رسوب در اطراف بندر امیرآباد می‌باشد.
در این پژوهش، تغییرات و تبعات ایجاد شده در خط ساحل دریای خزر در اثر احداث بندر امیرآباد مورد مطالعه قرار می­گیرد. مکان­هایی از ساحل که در اثر تغییرات دچار فرسایش و رسوبگذاری می­گردند، شناسایی می­شوند و در ادامه راهکارهای مقابله با پدیده­ها مطالعه و راهکارهای علاج بخشی ارائه خواهد گردید.
[1]Longshore Sediment Transport
[2]Surf zone
تعداد صفحه : 124
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار کارشناسی ارشد مهندسی عمران - سازه های هیدرولیکی: RCC Dam Materia

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران